解淀粉芽孢杆菌抗赤霉病菌机理及抗菌基因tasA功能研究

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小麦(Triticum aestivum L.)是广泛种植的重要谷物作物,在我国主要由禾谷镰刀菌(Fusariumgraminearum)引起小麦赤霉病害,严重危害小麦的生产。赤霉病菌侵染小麦最严重的时间是开花期,侵染后赤霉菌迅速在穗部增殖扩增并在小麦籽粒中产生多种毒素。目前缺少抗病种质资源且抗病育种进展缓慢。筛选抗赤霉病菌的生防菌,揭示其抗病机理,并筛选抗菌物质,以及进行抗赤霉病菌基因的克隆对于赤霉病的防治、抗病育种等研究具有重要意义。本研究以赤霉病菌F0609菌系为靶标菌,研究内生细菌解淀粉芽孢杆菌C3和41B-1对赤霉病菌F0609的防治效果及初步的抑菌机理。内生细菌C3是41B-1经钴射线处理后的高效变异菌,细胞形态相似,菌落褶皱变少变薄。菌株C3与41B-1都能显著抑制赤霉菌菌丝的生长。平板试验中C3对小麦赤霉病菌的不同小种赤霉菌菌丝的生长都有明显的拮抗作用,说明C3对赤霉病菌有广谱抗性。田间试验发现41B-1菌株可降低不同品种小麦的赤霉病的发病率,具有很好的生物防治效果。41B-1菌液对小麦高感品种201处理组病情指数达到91.67,防效达到86.36%,对小麦中感品种208处理组病情指数达到62.50,防效达到86.67%。菌株41B-1、C3均可以诱导赤霉病菌丝细胞的凋亡,菌丝形态发生畸形,细胞内细胞器发生紊乱。特别是赤霉菌F0609细胞壁部分异常加厚的现象,生防菌C3拮抗赤霉病菌可能是作用于细胞壁中的几丁质。C3变异菌经培养48h后通过饱和度为80%的硫酸铵盐沉淀盐析法得到粗蛋白,通过透析袋去盐后冷冻干燥,得到浓缩的粗蛋白样品。经过胰酶消化处理,获得的消化液通过高灵敏钠升液相联用高分辨质谱LTQ-Orbitrap技术,对多肽成分进行检测,将得到的数据以Uniprot网站中解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)为信息库进行对比、检索与评估,获得72种蛋白。结合gene ontology下的PANTHER classification system分析菌株C3分泌粗蛋白功能。菌株C3是41B-1的变异菌种,将搜索结果与41B-1菌粗蛋白相比较,有43种差异蛋白,经uniprot网站分析这些蛋白包括水解酶16个,糖苷酶5个,裂解酶2个,脱羧酶1个,氧化还原酶4个,氨肽酶4个,蛋白酶1个,未知18个。获得的72种蛋白中,TasA蛋白对多种病原菌有抑制作用,包括桑疫病病原细菌、柑桔溃疡病菌、黄瓜灰霉病病原菌,因此选择该抗菌蛋白进行下一步研究。在序列比对结果的基础上,设计引物,从棉花内生菌菌株C3的基因组DNA中克隆得到TasA蛋白基因tasA,进行生物信息学分析。测序结果表明,tasA基因大小大约为660bp,通过ExPASy软件将tasA基因序列翻译的氨基酸序列分析,发现TasA蛋白的一级结构共有232个氨基酸,其编码的蛋白质富含赖氨酸lys 26(11.2%)、丙氨酸ala 23(9.9%)、异亮氨酸leu 18(7.8%)、天冬氨酸asp 17(7.3%),是一种稳定的蛋白。从菌株C3中克隆到tasA基因,将其连接到用XbaI和SacI双酶切后的转基因表达载体PBI121上,构建成重组转基因载体PBI121-tasA,转化至大肠杆菌DH5α中,从中提取出重组质粒,经测序验证后,将重组质粒转化感受态农杆菌EHA105,通过PCR筛选阳性菌液,转化拟南芥,获得转tasA基因的拟南芥植株。菌株41B-1和C3对小麦赤霉病菌有很好的抑制作用,C3粗蛋白可以诱导赤霉菌菌丝细胞的凋亡,从C3中克隆的tasA基因有作为抗病基因利用的潜力。
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